广东省电白区滨海砂矿型钍资源成矿特征

孟艳宁，范洪海，陈金勇

（核工业北京地质研究院 中核铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029）

放射性矿产资源是重要的核能资源，是核电产业的“粮食”。为确保我国核电事业长远发展，必须有足够的、多样化的核燃料供应。钍是除铀以外另一种重要的核能资源。据《前瞻网》和《科普大世界》公开报道，2021年9月，我国在甘肃武威试验的第一座商业化运营钍基熔盐堆（第四代核电六种堆型之一），是未来第四代核电技术的领头羊，标志着我国成为世界上第一个对第四代核电技术进行商业化试验运营的国家。

我国的钍资源丰富，已探明钍资源量目前已达百万吨，分布遍及我国23个省份［1-2］。独居石砂矿是目前最容易开采且具有较高经济价值的钍和稀土资源，最早发现于巴西的海滩上，我国于1964年建成了第一条以独居石为原料的稀土生产线。目前国家已经禁止开采单一独居石矿，我国现有独居石矿并不是从单一独居石矿开采而来，主要来源为国内选矿企业将进口或国内含锆英砂较高的砂矿提炼锆英石、金红石和钛铁矿后形成的副产品矿，包括磷钇矿和独居石。我国的滨海砂矿型钍资源是独居石、磷钇矿的主要赋存类型，其分布广泛，多位于我国东南沿海广东、福建及台湾地区［2-4］。滨海砂矿型钍资源的成矿特征研究，为该类型钍资源的勘查评价和综合利用提供了参考，也是新形势下落实重要钍资源开发矿产地和新增钍资源储量的重要保障。

1 地质概况

广东大陆海岸线漫长，滨海砂矿资源丰富，矿床（点）众多，滨海砂矿独居石、磷钇矿、锆英石、钛铁矿和金红石的储量在全国各省市的同类型矿床中名列首位，是我国上述矿产的重要产区。区域上广东沿海地带基岩分布规律不同，表现为粤东地区发育燕山第三、四期花岗岩，及下侏罗统砂页岩和上侏罗统火山岩系；粤中地区发育加里东期、燕山期花岗岩及侏罗系地层；粤西雷州半岛一带，大片出露第四系玄武岩及新生代沉积地层。上述岩体、地层中的副矿物均是滨海沉积砂矿的主要来源。

广东省电白区滨海砂矿型钍资源主要位于电白县电城镇以南沿海一带，东起正新村南侧，经下村到沙尾村一带的海滩，总长度约20 km（图1）。沿途多为鱼苗、虾苗的养殖场，北西侧为大面积的河流冲积砂矿，零星出露燕山期花岗岩和片麻岩。研究区区域上位于离坪山脉加里东期花岗岩侵入体西南端的东侧，区域构造呈北东-南西向，控制了该区的花岗岩分布和地形、地貌特征。研究区地层属于海成砂堤的细砂堆积和港湾内的潟湖沉积，与独居石矿相关的地层为海成砂矿，均属于第四系更新统与全新统沉积地层［5-10］。

图1 广东省电白区滨海砂矿区域地质简图及采样位置（据参考文献［11］修改）Fig.1 Regional geological sketch and sampling location of coastal placer in Dianbai area，Guangdong Province（Modified after reference［11］）

区域上电白地区位于茂名盆地的西侧，中新生代以来受西伯利、太平洋和印度板块的挤压应力体系影响；志留纪末期，加里东运动形成了以北东方向为主的应力体系；晚二叠纪至三叠纪，构造以隆升为主，构造运动相对缓和；燕山期形成了北北西向的拉张、剪切应力体系；喜马拉雅期区域拉张作用不断增强［12-13］。

2 样品采集与数据分析

2.1 样品采集

研究区的野外地质调查工作查参照中国地质调查局《1：5万区域地质调查工作指南》中的路线地质调查标准，地质调查点距200 m，在能谱高值区加密至50～100 m。本次研究工作对电城镇东南部长约20 km的滨海砂进行了样品采集，共采集样品14件（表1、图1）。其中在沙尾村东南的滨海砂中发现了高钍含量的独居石砂矿，高钍含量砂体长度约3 km，采集样品7件。

表1 电白地区重砂样品采集信息Table 1 Sampling information in Dianbai area

如图2a所示，电白地区的滨海砂为土黄色细粒滨海砂，主要成分为长石和石英，沿北北东向海岸线分布，粒度均匀变化不大，地表出露地层厚度0.5～3 m，能谱测量放射性Th含量均不高，一般为（10～30）×10-6。电白地区的富钍砂矿明显区别于正常滨海砂，呈灰黑色、薄层状，与土黄色细粒砂互层，富钍砂矿层厚度3～10 cm不等（图2b），富钍砂矿体沿北北西向分布长度可达50～200 m，富含钛铁矿与独居石等副矿物。

图2 电白地区滨海砂矿Fig.2 Photos of coastal sand in Dianbai area

对挑选的典型样品进行了微量元素分析，并对富钍样品进行了重砂单矿物挑选，其中的锆石矿物颗粒通过LA-ICP-MS试验分析，主要用于单矿物U-Pb定年。

2.2 微量元素分析

采集的样品在核工业北京地质研究院分析测试中心完成了微量元素分析，分析测试设备为NexION300D等离子体质谱仪，详细分析方法见《硅酸盐岩石化学分析方法 第30部分：44个元素量测定》（GB/T 14506.30—2010），稀土元素分析结果见表2。

稀土元素的原子结构决定了其在自然界中的行为及其地球化学的性质，其总是作为一组共生的元素出现在岩石或矿物中。经历过相同岩浆作用过程的地质体具有一致的稀土元素配分曲线，因此不同地质体稀土元素分布曲线常常被用来判断是否经历相同的演化过程，对于砂矿而言可判断其是否同源。

本文选取了6个富钍样品DB20-5、DB20-6、DB20-7、DS20-8、DB20-9、DB20-10的 稀土元素数据和8个正常样品的稀土元素数据。根据分析数据绘制了稀土元素配分曲线图（图3），稀土元素配分曲线显示了富钍样品和正常样品具有相似的配分特征，说明电白地区滨海砂矿的物源区统一。根据茂名盆地古气候和水动力特征分析，认为均来自滨海砂矿西北侧的花岗岩（离坪山脉花岗岩）［12］。如图3所示稀土元素配分曲线呈右倾轻稀土富集特征，并呈明显的负铕异常，与S型花岗岩稀土元素特征一致。同时由图3可见富钍样品DB20-7、DB-8、DB-9、DB-10的稀土含量明显高于正常样品的稀土含量，且稀土元素含量越高的样品，其钍含量越高，表明钍与稀土元素具有正相关关系，这一特征主要是由于钍和稀土元素均呈类质同象赋存于重砂矿物独居石中造成的。

图3 电白地区重砂样品稀土元素配分曲线Fig.3 REE pattern of heavy placer samples in Dianbai area

微量元素研究显示，根据部分熔融过程元素的分配特点，大离子亲石元素向岩石圈上部富集越来越强烈，大离子亲石元素富集在大陆地壳中，在岩浆活动中可以指示是否存在地幔物质与地壳物质发生交换，用以判别成岩的构造环境。

同样本文选取了6个富钍样品DB20-5、

DB20-6、DB20-7、DS20-8、DB20-9、DB20-10

的稀土元素数据和8个正常样品的大离子亲石元素数据。根据分析数据绘制了大离子元素蛛网图（图4），大离子亲石元素蛛网图均显示同样的分布特征，说明电白地区滨海砂矿富钍样品与正常样品具有相同的演化过程，其物源区统一，均来自滨海砂矿西北侧的花岗岩。所有样品的大离子亲石元素分布特征一致，Ba和Sr强烈亏损，富钍样品大离子亲石元素含量明显高于正常样品的大离子亲石元素含量，这也说明了源区花岗岩具有大量岩石圈物质的参与。

图4 电白地区重砂样品大离子元素蛛网图Fig.4 Spider diagram of large ionic radius elements of heavy placer samples in Dianbai area

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2.3 重砂矿物分析

根据野外现场测量的能谱数据，对采集的样品进行了初步的分析，挑选了Th能谱值高于100×10-6的DB20-5、DB20-6、DB20-7、DB20-8、DB20-9、DB20-10等6个样品进行重点分析。根据微量元素测定结果（表2）选择了含钍量最高的两个典型重砂样品DB20-9、DB20-10，进行重砂矿物鉴定分析，结果显示重砂样品中最重要的富钍矿物是独居石，共伴生矿物是钛铁矿、锆石、电气石、褐铁矿、锐钛矿及少量白钛矿（表3），富钍样品中钛铁矿含量高，这是导致野外调查时富钍沉积砂矿明显呈灰黑色的主要原因。因此灰黑色富钛铁矿及独居石砂体的出现可以作为该类沉积型砂矿的找矿标志（图2b）。

表3 电白地区重砂样品矿物鉴定信息Table 3 Placer minerals identification of samples in Dianbai area

如表3所示，富钍样品中的重砂矿物中钛铁矿含量均大于45%，分别为46.9%～47.7%；其次是独居石和电气石，其中独居石是主要的富钍矿物，含量分别为22.6%和3.5%；另外样品中锆石含量均较高，占比13.5%～16.8%，锆石中微量类质同象存在的钍也是该区钍的赋存形式之一；其次重砂矿物中含量较高的褐铁矿、锐钛矿及少量白钛石。

2.4 蚀源区年龄测定

将典型样品DB20-9和DB20-10进行锆石单矿物制靶和锆石铀铅同位素年龄测定。样品的分析实验在核工业北京地质研究院分析测试中心完成，采用的仪器为Element XR型高分辨电感耦合等离子体质谱仪、Geolas 193准分子固体激光器，锆石U-Pb同位素分析数据如表4所示，锆石定年结果见图5、6。DB20-9样品的U-Pb同位素测试数据为8个（谐和度高），其加权平均年龄和谐和年龄数据一致为445 Ma；DB20-10样品的U-Pb同位素测试数据为7个（谐和度高），其加权平均年龄与和谐年龄数据一致为441 Ma。由此分析结果显示该地区富钍样品的锆石的U-Pb年龄为441～445 Ma。滨海砂矿中的锆石来自西北侧的花岗岩，且形成沉积砂矿后未经历过任何热事件的扰动，锆石年龄代表了蚀源区花岗岩的形成年龄为晚奥陶世。

图5 电白地区重砂样品DB-9锆石U-Pb年龄谐和图Fig.5 Concordant U-Pb age diagram of zircon in heavy placer sample DB-9 from Dianbai area

表4 电白地区锆石U-Pb同位素定年数据Table 4 U-Pb dating data of zircon in Dianbai area

电白地区滨海砂矿的研究资料较少，缺少蚀源区花岗岩的形成年龄的精确定年数据。本次通过分析两个富钍样品中单颗粒锆石的U-Pb定年数据，获得了一致的同位素年龄441～445 Ma，精确测定了滨海砂矿蚀源区的形成年龄，对了解研究区的岩浆演化过程提供了年代学证据。

图6 电白地区重砂样品DB-10锆石U-Pb年龄谐和图Fig.6 Concordant U-Pb age diagram of zircon in heavy placer sample DB-10 from Dianbai area

3 钍成矿条件分析

研究区电白滨岸地带被第四系更新统、全新统沉积地层覆盖，其西北侧面出露加里东晚期花岗岩及部分片岩，岩体大致呈北东-南西向分布，为深成相，岩基产出。后期由于缓慢的构造隆升，花岗岩抬升剥蚀。在20 km2的工作区内，花岗岩体风化剥蚀、淋蚀作用极为强烈。其剥蚀面略向海倾斜。古老风化壳呈红白相间花斑状，新鲜基岩构成浑圆状低山丘陵，岩体裸露嶙峋，崩塌岩堆普遍。基岩为滨海砂矿区第四纪沉积地层的基底和碎屑物质的重要来源。

电白地区滨海砂矿是典型的沉积砂矿型钍矿，研究区属于亚热带海洋性气候，炎热和潮湿的气候环境有利于西北部花岗岩的风化作用。本区新构造运动表现以振荡性升降为主，风化沉积物经受陆源水流冲刷及海水激岸浪流的交替侵蚀，使原先风化强烈，节理发育的古生代（441～445.8 Ma）花岗岩体遭冲刷破碎，为沉积砂矿的形成提供了极其丰富的碎屑物质，在滨海开阔处及水流较缓的区域形成了基底较为平缓的沉积场所。

沉积砂矿形成后，其继续在水动力的搬运及重力的影响下，经过海水的反复冲刷、淘洗，使得水动力条件较强地区形成了重矿物富集的沉积砂矿型钍矿（图7）。

图7 电白地区滨海砂矿成矿作用示意图Fig.7 Schematic diagram of coastal placer metallogenic progress in Dianbai area

3.1 物质来源

稳定、丰富的物源区是沉积砂矿形成的首要条件。形成沉积砂矿型钍矿的物源区一般来源于花岗岩及碱性岩。研究区滨海砂矿的物源区来自其西北侧的晚奥陶世花岗岩，其在缓慢抬升的构造背景下，高温、潮湿的环境使其极易风化破碎，为滨海沉积砂矿提供了稳定、丰富的物源。

3.2 地形地貌

沉积砂矿的形成受地形地貌制约较重，制约电白地区沉积砂矿形成的地形地貌因素主要为弧形海湾和广阔的海成平原。上游水系从物源区携带的大量松散碎屑物，在水动力条件缓慢的海成平原区沉积和富集，弧形海湾潮汐作用下潮流的变化，使得碎屑沉积物在海水淘洗和重力作用下形成了重砂型砂矿。

3.3 构造环境

沉积砂矿的形成需要区域上稳定的大地构造环境，缓慢的构造抬升易于物源区花岗岩的抬升和风化剥蚀，稳定的大地构造环境是碎屑物持续运移、沉积和保存的必要条件，最终形成了稳定的第四系沉积层和重砂矿体的广泛分布。

4 结论

1）电白地区滨海砂矿型钍资源是典型的沉积型钍资源，灰黑色细粒滨海砂是富钍滨海砂矿的找矿标志，滨海砂矿中的主要富钍矿物为独居石，共伴生矿物为钛铁矿、锆石、电气石、褐铁矿、锐钛矿及少量白钛矿。

2）通过对滨海砂矿样品的稀土、微量元素分析，表明电白地区滨海砂矿的物源区单一稳定，为其上游地区的晚奥陶世花岗岩；富钍样品的锆石U-Pb定年结果为441～445 Ma，指示了物源区花岗岩的年龄为加里东期晚奥陶世。

3）提供稳定物源的富钍花岗岩，易于风化剥蚀的气候条件，适宜碎屑物搬运沉积的地形地貌，以及稳定的大地构造环境和蚀源区缓慢的构造抬升，是电白地区滨海砂矿型钍资源的形成条件。

4）我国具有丰富的沉积砂矿型钍资源，其中滨海砂矿型钍资源具有易于开采和利用的特点。由于我国具有绵长的海岸线及适宜风化的气候，滨海砂矿型钍资源潜力较大。该类型钍资源成矿特征的研究，对我国其他地区滨海砂矿型钍资源的勘查和开发提供了参考。